JP2004347668A - 光配向用偏光光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光配向膜に照射する偏光光照射装置において、光照射面における偏光軸のばらつきを少なくすること。
【解決手段】ランプ１が放射する紫外線を含む光は、集光鏡２で集光され、第１の平面鏡３、インプットレンズ５を介して偏光素子６に入射する。偏光素子６から出射した偏光光は光入射側レンズ群４１と光出射側レンズ群４２から構成されるインテグレータレンズ４に入射する。光入射側レンズ群４１は、複数のシリンドリカルレンズを配列した第１、第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａ，４１ｂから構成され、第１、第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａ，４１ｂのシリンドリカルレンズの配列方向は直交している。インテグレータレンズ４から出射した偏光光は、シャッタ７、第２の平面鏡８、コリメータレンズ９を介してワークステージＷＳ上に載置された、ワークＷに照射される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子の配向膜や、液晶パネルに取り付ける視野角補償フィルムに偏光光を照射して、光配向を行なうための偏光光照射装置に関し、特に、上記偏光光照射装置に用いられる、インテグレータレンズの構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は、透明基板の表面に形成した配向膜に、液晶を所望の方向に配向させる処理（配向処理）を施し、該透明基板を２枚、配向膜を内側にして、間に液晶をはさみこんで貼り合せたものである。
上記液晶表示素子の配向膜の配向処理に関し、配向膜に所定の波長の偏光光を照射し露光処理することにより配向を行なう、光配向と呼ばれる技術がある。光配向用の偏光光照射装置としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載のものがある。
最近は、上記液晶表示素子の製作以外に、視野角補償フィルムの製作にも、上記偏光光照射装置が使用されるようになってきた。視野角補償フィルムは、べ一スフィルム上に、紫外線硬化液晶を塗布し、一定方向に液晶分子を配列（配向）させた後、紫外線を照射して液晶を硬化させ、液晶分子の方向を固定させたものである。視野角補償フィルムを液晶パネルに貼ることで、画質の低下を補償する。
以下、ここでは視野角補償フィルムも含めて、光配向を生じさせる膜を光配向膜と呼ぶことにする。
【０００３】
図７に、光配向用偏光光照射装置の構成を示す。
ランプ１が放射する紫外線を含む光は、集光鏡２で集光され、第１の平面鏡３で反射され、インプットレンズ５によって平行光にされ偏光素子６に入射する。
偏光素子６は、例えば、複数のガラス板を光軸に対してブリュースタ角だけ傾けて設けたものである。
偏光素子６に入射した光は偏光分離され、上記の偏光素子の場合はＰ偏光光のみが出射する。出射したＰ偏光光はインテグレータレンズ４に入射する。
インテグレータレンズ４は、光照射面１１での照度分布を均一にする光学素子である。本例では、光入射側のレンズ群と、光出射側のレンズ群とを離間して配置したものを使用する。このような構造のインテグレータについては、例えば特許文献３に記載されている。
インテグレータレンズ４から出射したＰ偏光光は、シャッタ７を介して、第２の平面鏡８で反射され、ワークステージＷＳ上に載置された、光配向膜が塗布された基板や視野角補償フィルム等であるワークＷに照射される。
ワークＷに照射する光に平行光が必要であれば、第２の平面鏡６とワークステージＷＳの間に、コリメータレンズ９またはコリメータミラーを設ける。図７は、コリメータレンズ９が設けられている場合を示している。
【０００４】
【特許文献１】
特許２９２８２２６号
【特許文献２】
特許２９６０３９２号
【特許文献３】
特開昭５８−５０５１０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光配向膜を光配向させるためには、所定の波長（例えば２８０〜３２０ｎｍ紫外線）であって、所定の値以上の消光比（例えばＰ偏光光に対しＳ偏光光の含まれる割合が１／１０〜１／１００）を有する偏光光が必要である。これは上記光配向膜の物性により決まる。消光比とは光に含まれるＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合である。
最近、光配向を行なうためのパラメータとして、上記の波長と消光比に加えて、照射面内における偏光光の方向（以下偏光軸と呼ぶ）のばらつきが問題にされるようになってきた。
例えば、上記従来例の偏光光照射装置を用いると、照射面における偏光軸の面内ばらつきは±０． ５°程度になる。しかし、最近は偏光軸の面内ばらつきが±０．１°以内を要求するユーザもあり、さらなる改善が求められている。
図８に、光照射面における偏光軸の面内ばらつきのイメージ図を示す。例えば、上記従来例の場合、照射されるＰ偏光光の方向が、光照射面において約±０．５°ばらついているということである。
偏光軸の面内ばらつきが大きい光で光配向を行なうと、製品である液晶表示素子のコントラストが、場所によって異なってしまうという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、本発明は、偏光光を、光入射側のレンズ群と光出射側のレンズ群とを離間して配置したインテグレータに入射し、照度分布を均一にして光配向膜に照射する偏光光照射装置において、光照射面における偏光軸のばらつきを少なくすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者らは、偏光軸がばらつく原因について調べた。その結果、以下の理由により偏光軸がばらつくことを見いだした。 インテグレータを構成するレンズとして、球面形状のレンズを使用すると、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの四隅に入射する光の入射角度は、レンズの曲面に沿ってＸ方向、Ｙ方向（Ｘ方向、Ｙ方向は入射光に垂直な平面上の直交する２軸）ともに変化する。
そのため、光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、０°もしくは９０°の関係ではなくなり、入射する光の偏光軸が、互いに直交する２成分に分かれる。その結果、レンズから出射する偏光光の偏光軸が回転する。
インテグレータの光入射側のレンズと光照射面は結像関係にある。したがって、光入射側のレンズにおいて生じた偏光軸の回転は、そのまま光照射面に投影され、光照射面では偏光軸にばらつきが生じることとなる。
そこで、本発明においては、前記構成の偏光光照射装置において、インテグレータレンズの光入射側のレンズ群を、シリンドリカルレンズの組み合わせで構成した。シリンドリカルレンズの場合、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの場所による入射角度は１方向しか変化せず、光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、０°もしくは９０°の関係が保たれる。したがって、入射する光の偏光軸が、互いに直交する２成分に分かれることがなく、偏光軸の回転が生じない。このため、光照射面における偏光軸のばらつきを防ぐことができる。
【０００７】
従来のレンズ群は、図２（ａ）に示すように複数の凸レンズを２次元的に並べた光入射側レンズ群４１、光出射側レンズ群４２を離間して配置したものであるが、本発明においては、上記光入射側レンズ群４１を、図２（ｂ）に示すように、複数のシリンドリカルレンズを配列した第１のレンズ群４１ａ（以下第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａという）と、第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に、複数のシリンドリカルレンズを配列した、第２レンズ群４１ｂ（以下第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂという）とで構成する。
上記第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂのシリンドリカルレンズは、凸面が第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａに向かって凸になるようにして、接近して配置する。第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａと第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂの距離は、出来るだけ接近して配置されていることが望ましく、熱膨張によりが両者が接触しない程度の距離（例えば０．５ｍｍ程度）に設定する。
このように配置することにより、光照射面での偏光軸のばらつきを小さくすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例の光配向用偏光光照射装置の構成を示す図である。前記図７に示したものと同一のものには同一の符号が付されている。
図１において、ランプ１が放射する紫外線を含む光は、集光鏡２で集光され、第１の平面鏡３で反射され、インプットレンズ５によって平行光にされ偏光素子６に入射する。
偏光素子６に入射した光は偏光分離され、上記の偏光素子の場合はＰ偏光光のみが出射する。出射したＰ偏光光は光入射側レンズ群４１と光出射側レンズ群４２から構成されるインテグレータレンズ４に入射する。
本実施例の光入射側レンズ群４１は、前記図２（ｂ）に示したように、複数のシリンドリカルレンズを配列した第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａと、第１のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に、複数のシリンドリカルレンズを配列した第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂとから構成されている。
インテグレータレンズ４の光入射側レンズ群４１を上記構成とすることにより、光照射面における偏光軸のばらつきを、従来の±０． ５°から±０．１７°に小さくすることができた。なお、インテグレータレンズ４の出射側のレンズ４２は前記図２（ａ）に示した複数の凸レンズを２次元的に並べたレンズ群を用いることができる。
インテグレータレンズ４から出射したＰ偏光光は、前記したようにシャッタ７を介して、第２の平面鏡８で反射され、コリメータレンズ９で平行光にされ、ワークステージＷＳ上に載置された、光配向膜が塗布された基板や視野角補償フィルム等であるワークＷに照射される。
なお、コリメータレンズ９も、球面形状のレンズであるため前記した理由で偏光方向は変わるが、曲率が小さいので偏光軸のずれは少なく、光照射面における偏光軸のばらつきに与える影響は少ない。
【０００９】
以下、上記構成のインテグレータレンズを用いることにより、偏光軸のばらつきを小さくできる理由について詳述する。
まず、偏光軸がばらつく原因について調べた。
図８に示したように、従来は光照射面の四隅の部分で、偏光軸のばらつきが大きくなった。その原因について本発明者らは次のことを見出した。
インテグレータを構成するレンズとして、球面形状のレンズを使用していたが、球面形状レンズの場合、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの四隅に入射する光の入射角度は、図３（ａ）に示すように、レンズの曲面に沿ってＸ方向、Ｙ方向ともに変化する。
入射する光の角度がＸ方向、Ｙ方向ともに変化すると、前記したように光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、０°もしくは９０°の関係ではなくなる。
上記のように０°もしくは９０°の関係ではないとき、入射する光の偏光軸が、互いに直交する２成分に分かれる。その結果、レンズから出射する偏光光の偏光軸が回転する。
インテグレータの入射側のレンズと光照射面は結像関係にある。したがって、光入射側のレンズにおいて生じた偏光軸の回転は、そのまま光照射面に投影され、光照射面では偏光軸にばらつきが生じることとなる。
【００１０】
以上のことから、偏光軸の回転を防ぐためには、インテグレータの光入射側のレンズ群において、レンズの四隅に入射する光の入射角度が、少なくともＸ方向、Ｙ方向のいずれか１方向しか変化しないような形状のレンズを用いればよい。
そのようなレンズとして、具体的には、シリンドリカルレンズがあげられる。
シリンドリカルレンズの場合、レンズの中心に入射する光の入射角度に対して、レンズの場所による入射角度は、図３（ｂ）に示すように１方向しか変化しない。
入射角度が１方向にしか変化しなけば、光が入射する面の法線方向と入射する光の方向とがなす面と、入射する光の偏光軸の方向とが、０°もしくは９０°の関係が保たれる。
このため、入射する光の偏光軸が、互いに直交する２成分に分かれることがなく、偏光軸の回転が生じない。したがって、光照射面における偏光軸のばらつきを防ぐことができる。
【００１１】
これを図４（ａ）（ｂ）により説明する。図４（ａ）は、球面の凸レンズに偏光光が入射している場合、図４（ｂ）は、シリンドリカルレンズに偏光光が入射している場合を示す。なお、ここでは、入射する偏光光の偏光方向は同図のＹ方向であるとする。
球面の凸レンズであっても、図４（ａ）のハッチングの部分は、入射角度がほぼＸまたはＹの１方向のみの変化なので、偏光軸はほとんど回転しない。しかし、それ以外の部分、特に四隅の部分はＸ，Ｙ両方向に変化するので、偏光軸が回転する。
一方、シリンドリカルレンズの場合、いずれの部分でも、図４（ｂ）に示すように入射角度はＸまたはＹの１方向のみの変化となり、偏光軸は回転しない。
ここで、シリンドリカルレンズを、２組の直交する方向に配列すると、凸レンズと同じ働きをすることは良く知られている。
したがって、従来用いてきた凸レンズの代わりに、２組のシリンドリカルレンズ群を用いることにより、偏光軸の回転を防ぐインテグレータ４の光入射側のレンズ群４１を形成することができる。
なお、インテグレータレンズ４の光出射側のレンズ群４２については、光照射面で偏光方向のずれが相殺され偏光軸のばらつきに影響を与えないので、シリンドリカルレンズとする必要はない。
【００１２】
次にシリンドリカルレンズの向きについて検討した。
図５は、インテグレータレンズ４の光入射側のレンズ群４１の第１のシリンドリカルレンズ・アレイ、第２のシリンドリカルレンズ・アレイの凸の向きを変えて、偏光軸のばらつきを調べた実験結果を示す図である。
インテグレータレンズ４の光入射側のレンズ群４１は、複数のシリンドリカルレンズを配列させた第１シリンドリカルレンズ・アレイ４１ａと、第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａの光出射側に近接して配置され、第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に複数のシリンドリカルレンズが配列された第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂとからなる。
インテグレータレンズ４の光出射側のレンズは、従来と同じ球面形状の凸レンズ群を使用している。
図５において、ランプ１と集光鏡２から構成される光源１０からのからの光は、４． ４２°の集光角で、インテグレータレンズ４の光入射側の第１のレンズ群４１に入射し、第１のレンズ群４１を出射した光が第２のレンズ群４２に入射する。第２のレンズ群４２から出射した光は、インテグレータレンズ４の光出射側のレンズ４２、アウトプットレンズ１２を介して、光照射面１１に照射される。アウトプットレンズ１２は、インテグレータレンズ４から出射された光を照射面に集める働きをする。なお、アウトプットレンズ１２は不要な場合もあるが、本実施例においては、要求される照射の条件によって必要であったので、追加した。
【００１３】
図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、第１のレンズ群および第２のレンズ群のシリンドリカルレンズの凸の向きを変えて組み合わせた場合の、光照射面１１における偏光軸のばらつきを示したものである。
同図（ａ）は、第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａが光入射方向に凸で、第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂが光出射方向に凸の場合を示し、同図（ｂ）は、第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａ、第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４２ｂともに光出射方向に凸の場合を示す。
また、同図（ｃ）は、第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａが光出射方向に凸で、第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂが光入射方向に凸の場合を示し、同図（ｄ）は、第１のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ａ、第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂともに光入射方向に凸の場合を示す。
前記したように、インテグレータ４の光入射側レンズ４１が、従来の球面状の凸レンズである場合の、偏光軸のばらつきは±０．５°であった。
これに対し、インテグレータレンズ４の入射側のレンズ群４１をシリンドリカルレンズの組み合わせにすることで、図５に示すように光照射面での偏光軸のばらつきを、±０．２６°〜０．１７°と小さくすることができた。
【００１４】
ここで、第２のシリンドリカルレンズ・アレイ４１ｂが光入射方向に凸である図５（ｃ）（ｄ）の場合の方が、偏光軸のばらつきが±０．１７°と、光出射方向に凸である図５（ａ）（ｂ）の場合の±０．２°に比べて小さく、良好な結果になった。
これは、次のように説明できる。
偏光軸の回転は、上記したようにレンズ表面が曲面であるため、入射角度が場所により異なることが原因で生じる。入射角度の違いが大きいと、偏光軸のばらつきも大きくなる。
第１のシリンドリカルレンズＡから出射した光は、広がりながら第２のシリンドリカルレンズＢに入射する。ここで、図６（ａ）に示すように、第２のシリンドリカルレンズＢの凸方向が、光入射側（第１のシリンドリカルレンズＡ）に向いている場合のほうが、図６（ｂ）に示すように光出射側に向いている場合に比べて、第１のシリンドリカルレンズＡの出射面から、第２のシリンドリカルレンズＢの曲面までの距離が近くなる。
したがって、図６（ａ）のほうが、第１のシリンドリカルレンズＡから出射した光の広がりの幅が狭い状態で、第２のシリンドリカルレンズＢの曲面に光が入射する。その結果、レンズ曲面に入射する光の角度の違いが小さくなる。
このため、第２のシリンドリカルレンズＢから出射する偏光光の偏光軸の回転が小さくなり、光照射面での偏光軸のばらつきも小さくなると考えられる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、光配向用偏光光照射装置に使用される、インテグレータレンズの入射側のレンズを、第１、第２のシリンドカルレンズ・アレイで構成し、第１、第２のシリンドカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズの配列方向を互いに直交させ、第２のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズを、第１のシリンドリカルレンズ・アレイに向かって凸になるように配置したので、光照射面での偏光軸のばらつきを小さくすることができる。このため、光配向膜の配向方向を均一にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の光配向用偏光光照射装置の構成を示す図である。
【図２】従来のインテグレータレンズと、本発明で使用されるインテグレータレンズを示す図である。
【図３】球面形状のレンズを使用した場合とシリンドリカルレンズを使用した場合におけるレンズ面への光の入射角度を示す図である。
【図４】球面形状のレンズを使用した場合とシリンドリカルレンズを使用した場合における偏光軸の回転を説明する図である。
【図５】第１、第２のシリンドリカルレンズ・アレイの凸の向きを変えて、偏光軸のばらつきを調べた実験結果を示す図である。
【図６】第２のシリンドリカルレンズ・アレイを光入射方向に凸とした場合に偏光軸のばらつきが小さくなる理由を説明する図である。
【図７】従来の光配向用偏光光照射装置の構成を示す図である。
【図８】光照射面における偏光軸の面内ばらつきのイメージを示す図である。
【符号の説明】
１ ランプ
２ 集光鏡
３ 第１の平面鏡
４ インテグレータレンズ
４１ 光入射側レンズ群
４１ａ 第１のシリンドリカルレンズ・アレイ
４１ｂ 第２のシリンドリカルレンズ・アレイ
４２ 光出射側レンズ群
５ インプットレンズ
６ 偏光素子
７ シャッタ
８ 第２の平面鏡
９ コリメータレンズ
１０ 光源
１１ 光照射面
１２ アウトプットレンズ
ＷＳ ワークステージ
Ｗ ワーク

Claims (1)

1. 偏光素子により偏光した光を、光入射側のレンズ群と、光出射側のレンズ群とを離間して配置したインテグレータレンズに入射し、照度分布を均一にして照射する光配向用偏光光照射装置において、
   上記インテグレータレンズの光入射側のレンズ群は、複数のシリンドリカルレンズを配列させた第１のシリンドカルレンズ・アレイと、
   上記第１のシリンドカルレンズ・アレイの光出射側に近接して配置され、第１のシリンドカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズの配列方向と直交する方向に複数のシリンドリカルレンズが配列された第２のシリンドカルレンズ・アレイとからなり、
   上記第２のシリンドリカルレンズ・アレイのシリンドリカルレンズは、第１のシリンドリカルレンズ・アレイに向かって凸になるように配置されていることを特徴とする光配向用偏光光照射装置。

Images